双闭环直流调速系统设计

I 阳泉职业技术学院 毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 毕业生姓名 ： 专业 ： 学号 ： 指导教师 : 所属系（部） ： 二〇一一年五月 阳泉职业技术学院 毕业论文评阅书 题目： 　　　　　　　　　双闭环直流调速系统 　　　　　 　信息　系　电气自动化 　专业 姓名 付惠泽 设计时间：2011年3月7日～2011年5月7日 评阅意见： 成绩： 指导教师：　　 （签字） 职务：　　　　 年　月　日 阳泉职业技术学院 毕业论文答辩记录卡 系　　 　　 　　专业 姓名　　　　　　 答 辩 内 容 问 题 摘 要 评 议 情 况 　　　　　　　　　 记录员： （签名） 成 绩 评 定 指导教师评定成绩 答辩组评定成绩 综合成绩 注：评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。 专业答辩组组长：　　　　　（签名） 　　　　　　　　　 年　月　日 摘  要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。 关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink Abstract: The design uses thyristors, diodes and other devices designs a speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, speed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the current components to level off the current, the latter through the feedback of speed detecting device to maintain the speed stably and finally eliminates the deviation of speed bias.，thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. when the system starts, the speed outer ring saturats non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; when it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role ,to let the speed changes with the given speed voltage , at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current. Simulink for system through mathematical modeling and system simulation. Finally display control system model and the results of anti-truth. Keywords: Double-loop, thyristors, the speed regulator, the current regulator，Simulink 目 录 1前言 31 绪论 31.1课程的背景、目的及意义 31.2 本课题国内、外研究应用情况 31.2.1 采用新型电力电子器件 41.2.2 应用现代控制理论 41.2.3 采用总线技术 41.3 本课题采用的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及技术难点 51.4 本设计的主要研究内容 51.4.1 建立能够的数学模型 51.4.2 经典控制部分 51.4.3 仿真部分 62总体方案设计 62.1 方案比较 72.2 方案论证 72.3 方案选择 82.4 设计要求 92.5整流变压器的设计 92.5.1变压器二次侧电压U2的计算 92.5.2 一次、二次相电流的计算 92.5.3变压器容量的计算 102.6晶闸管元件的选择 102.6.1晶闸管的额定电压 102.6.2晶闸管的额定电流 123单元模块设计 123.1 转速给定电路设计 123.2 转速检测电路设计 133.3 电流检测电路设计 133.4 整流及晶闸管保护电路设计 143.4.1 过电压保护和du/dt限制 163.4.2 过电流保护和di/dt限制 173.5平波电抗器的计算 193.6励磁电路元件的选择 193.7 继电器-接触器控制电路设计 193.8 整流电路参数计算 224 双闭环的动态设计和校验 224.1电流调节器的设计和校验 234.2转速调节器的设计和校验 254.3电源设计 264.4 控制电路设计 325触发电路选择与校验 325.1 触发电路的选择与校验 336系统调试 336.1 系统的建模与参数设置 346.2 系统仿真结果的输出及结果分析 36结论 37总结与体会 39致谢 40参考文献 41附录 前言 自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。 全数字直流调速装置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速 装置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。      目前，在直流调速方面IGBT一电动机调速系统已发展得很成熟，但脉冲宽度调制(PWM)直流调速系统与之相比有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。 1 绪论 1.1课程的背景、目的及意义 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 20世纪90年代前地大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的启动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。因为它具有良好的线性特征，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。 1.2 本课题国内、外研究应用情况 近30年来，电力拖动系统得到了迅速的发展。但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开： 1.2.1 采用新型电力电子器件 电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。 传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第 二代电力电子器件之一的大功率晶体管得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。 1.2.2 应用现代控制理论 在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在采用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两个方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的匀速得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法性能方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。 1.2.3 采用总线技术 现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。 1.3 本课题采用的技术方案及技术难点 根据本课题的实际情况，宜从以下三个方面入手分析： 1 直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2 双闭环直流调速的工程设计 3 应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正 本课题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不尽要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，称为实现 高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。 关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统，其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素，按全局最优的观点正确选择合理的阶次。 1.4 本设计的主要研究内容 1.4.1 建立能够的数学模型 分析双闭环调速系统的工作原理，列写双闭环调速系统各环节的传递函数，并画出其动态结构图。 1.4.2 经典控制部分 首先了解双闭环直流调速系统的基本原理，然后应用工程设计方法，分别进行主电路、电流环和转速换的设计，并应用MATLAB语言中的SIMULINK工具箱对系统进行仿真。 1.4.3 仿真部分 运用SIMULINK工具箱对系统进行仿真，获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线。结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较研究，从而得到性能指标较为理想的系统模型。 2总体方案设计 2.1 方案比较 方案一：单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压ΔU ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。 图2.1 方案一原理框图 方案二：双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。 图2.2 方案二原理框图 2.2 方案论证 方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。 方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 2.3 方案选择 1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。而由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰。主变压器采用A/D联结。 因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护。出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。 为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。 该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节 电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。 2.4 设计要求 直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下： 1. 直流电动机的额定参数PN=264W、UN=220V、IN=1.2A、nN=1600 r/min，电枢电阻Ra=5.2Ω，电枢绕组电感La=6.6mH，电机飞轮矩GDd2=6.39N·m2，电流过载倍数λ=1.5，电枢回路总电阻可取为R=2Ra=10.4Ω，系统总飞轮矩GD2=2.5 GDd2。 2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量σi％≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量 σn％≤10％。 2.5整流变压器的设计 2.5.1变压器二次侧电压U2的计算 U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （2-1） 式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0； ε——电网波动系数； 1～1.2——考虑各种因数的安全系数； 根据设计要求，采用公式： (2-2) 由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.985取 U2=120VU1/U2=380/120=3.2 2.5.2 一次、二次相电流的计算 由表查得 KI1=0.816, KI2=0.816 考虑变压器励磁电流得： ,取14A 2.5.3变压器容量的计算 S1=m1U1I1； （2-3） S2=m2U2I2； （2-4） S=1/2(S1+S2)； （2-5） 式中m1、m2 --一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得m1=3，m2=3 S1=m1U1I1=3×380×14=15.6KVA S2=m2U2I2=3×110×44.9=14.85 KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA 考虑励磁功率 =220×1.6=0.352kW，取S=15.6kvA 2.6晶闸管元件的选择 2.6.1晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压 ，乘以（2～2）倍的安全裕量，参照 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电压等级，即可确定晶闸管的额定电压 ，即 =（2～2） 整流电路形式为三相全控桥，查表得 ，则 （2-6） 取 2.6.2晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是使管子允许通过的额定电流有效值 大于实际流过管子电流最大有效值 [8]，即 =1.57 > 或 > = EMBED Equation.3 =K （2-7） 考虑（1.5～2）倍的裕量 （2-8） 式中K= /（1.57 ）--电流计算系数。 此外，还需注意以下几点： ①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。 ②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 由表查得 K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量 （2-9） 取 。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。(可用3CT107替换)。 3单元模块设计 根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。 3.1 转速给定电路设计 转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3.1所示。 图3.1 转速给定电路原理图 3.2 转速检测电路设计 转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3.2所示。 图3.2 转速检测电路原理图 3.3 电流检测电路设计 电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.3所示。 图3.3 电流检测电路原理图 3.4 整流及晶闸管保护电路设计 整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具 有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3.4 整流电路及晶闸管保护电路 3.4.1 过电压保护和du/dt限制 凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图3.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。 交流侧过电压保护 ① 阻容保护 C≥S/U22=6×10×5200/1102=25µF 耐压≥1.5Um =1.5×110× =233V 由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量20uF，耐压250V。 取 =5， R≥2.3 U22/S =2.3×1102/5200× =2.2Ω，取2.2Ω IC=2πfCUC×10-6=2π×50×20×10-6×110=0.69A PR≥(3～4)IC2R=(3～4) ×（0.69）2×2.2=3.1～4.2W 选取2.2Ω，5W的金属氧化膜电阻。 ② 压敏电阻的计算 U1MA=1.3 U2=1.3× ×110=202V 流通量取5KA。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10％（242V）。 2） 直流侧过电压保护 直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成 加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 U1MA=（1.8-2.2）UDC=(1.8～2.2) ×220=396～440V 选MY31-430/5型压敏电阻。允许偏差+10％（484V）。 3） 闸管及整流二极管两端的过电压保护 晶闸管额定电流/μA 10 20 50 100 200 500 1000 电容/μF 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/Ω 100 80 40 20 10 5 2 表2-1 阻容保护的数值一般根据经验选定 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值 的1.1～1.15倍。 由上表得C=0.5µF，R=10Ω， 电容耐压≥1.5 =1.5× EMBED Equation.3 =1.5× ×110=566V 选C为0.5µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22µF，耐压为400V。 =fCUm2×10-6=50×0.5×10-6×( ×110)2=0.8W 选R为10Ω普通金属膜电阻器，RJ-0.5。 3.4.2 过电流保护和di/dt限制 由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种： 1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。 2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。 本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 （1）晶闸管串连的快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值 = = =31.75A 选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A。 （2）过电流继电器的选择 因为负载电流为55A，所以可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×55=68.75A≈100A 3.5平波电抗器的计算 为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器 ，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。 1）算出电流连续的临界电感量 可用下式计算，单位mH。 （3-1） 式中 －与整流电路形式有关的系数，可由表查得； 为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。根据本电路形式查得 =0.695，所以 = =30.3mH 2）限制输出电流脉动的临界电感量 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量 （单位为mＨ）可用下式计算 （3-2） 式中 －系数，与整流电路形式有关， －电流最大允许脉动系数，通常三相电路 ≤（5～10）％。 根据本电路形式查得 =1.045, 所以 = =22.8mH 3）电动机电感量 和变压器漏电感量 电动机电感量 （单位为mH）可按下式计算 （3-3） 式中 、 、n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； p－电动机的磁极对数； －计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取 =8、 =220V、 =55A、n=1000r/min、p=1 = =16mH 变压器漏电感量 （单位为mH）可按下式计算 （3-4） 式中　 －计算系数，查表可得 　 －变压器的短路比，一般取5%～10%。 本设计中取 =3.2、 =0.05 所以 =3.2×0.05×120/（100×55）=3.5mH 4）实际串入平波电抗器的电感量 考虑输出电流连续时的实际电感量： （3-5） 5) 电枢回路总电感: =4.56+6.91+2×6.9=19.51mH 3.6励磁电路元件的选择 整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取800V。额定电流可查得K=0.367， ID(AV)=(1.5~2)K =(1.5～2)×0.367×3.77A=2.08～2.77A 可选用ZP型3A、800V的二极管。 RPL 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。 为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ，动作电流通过RPI 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。 3.7 继电器-接触器控制电路设计 为使电路工作更可靠，总电路由自动开关引入，由于变压器一次侧 ， 故选DZ5－50型三极自动断路器，脱扣器的额定电流为30A的三极自动断路器 即可满足要求。用交流接触器来控制主电路的通断，由于 =39A ,故可选故选 CJ10－60、线电压为220V的交流接触器。 在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继器，吸引电流可在3/10～65/100范围内调节，释放电流在1/10～2/10范围内调节。选用AL18-22Y型按扭，启动按扭用绿色，并带有工作指示灯，停止按扭色。选用XDX2型红色指示灯。 3.8 整流电路参数计算 (1) 的计算 —负载要求的整流电路输出的最大值； —晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取 ； n​—主电路中电流回路晶闸管的个数； A—理想情况下 时，整流输出电压 与变压器二次侧相电压 之比； C—线路接线方式系数； —电网电压波动系数，通常取 ； —最小控制角，通常不可逆取 ； —变压器短路电压比，100Kv以下的取 ； —变压器二次侧实际工作电流额定电流之比； 已知 ，取 、 ，查表得 ，取 , , , ,查表得 代入上式得： ，应用式 ，查表得A=2.34， ， ， 取 ，电压比 （2）一次和二次向电流 和 的计算 由式得 ， 由表得 ， ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得： 变压器的容量计算 (4)晶闸管参数选择 由整流输出电压 ，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即： ，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即： 。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为： 4 双闭环的动态设计和校验 4.1电流调节器的设计和校验 1）确定时间常数 已知 ， ，所以电流环小时间常数 =0.0017+0.002=0.0037S。 2） 选择电流调节器的结构 因为电流超调量 ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。 3） 电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数 = =0.0133s，又因为设计要求电流超调量 ，查得有 =0.5，所以 = EMBED Unknown = ，所以ACR的比例系数 = 。 4） 校验近似条件 电流环截止频率 = =135.1 。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： > ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件： EMBED Unknown EMBED Unknown ，满足条件。 5） 计算调节器的电阻和电容 取运算放大器的 =40 ，有 =1.078 40=43.12 ，取45 ， ，取0.3 ， ，取0.2 。故 = ，其结构图如下所示： 图4-1 电流调节器 4.2转速调节器的设计和校验 1确定时间常数： 有 则 ，已知转速环滤波时间常数 =0.01s，故转速环小时间常数 。 2选择转速调节器结构： 按设计要求，选用PI调节器 3计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为： ， 转速环开环增益 。 ASR的比例系数为： 。 4检验近似条件 转速环截止频率为 。 电流环传递函数简化条件为 ，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为： ，满足近似条件。 5计算调节器电阻和电容： 取 =40 ，则 ，取3700 。 ，取0.02 ，取1 。 故 。其结构图如下： 图4-2 转速调节器 6校核转速超调量： 由h=4，查得 ，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重 计算 。设理想空载z=0，h=4时，查得 =77.5%，所以 =2（ ）（ ） = ，满足设计要求. 4.3电源设计 该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款±15V的直流稳压电源供电，其电路图如图4.3所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图4.3 ±15V电源电路原理图 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电 阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。 4.4 控制电路设计 本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图4.4所示。 图4.4 双环调速系统原理图 为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。图4.5中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图4.5为双闭环调速系统的稳态结构图。图4.6为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。 图4.5 双闭环调速系统稳态结构图 图4.6 双闭环调速系统动态结构图 基本数据 直流电动机：264W、220V、1.2A、1600r/min、Ra=5.2Ω，La=6.6mH 晶闸管装置放大系数：Ks=40 电枢回路总电阻:R=9+1.2+0.2=10.4Ω 电流反馈系数：β=0.05V/A（≈10V/1.5IN） 转速反馈系数：α=0.00625Vmin/v（≈10V/nN） 设计要求 静态指标：无静差 动态指标：电流超调量σi%≤5%，空载启动到而定转速时的转速超调量σn%≤10% 参数计算 1.因为UN=230V，α的整定范围在30°~150°之间，由公式 知当α=30°时UD取得最大值，由此计算得U2=113.50V。 2.由 有Ce=0.1290。 3.由 有Tm=0.4825s。 4.由 有L=16.46mH。由 有Tl=0.0091s。 系统设计 1.电流环的设计 （1）确定时间常数。①整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。②电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。③电流环小时间常数TΣi,按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+ Toi=0.0037s。 （2）确定电流环设计成何种典型系统。 根据设计要求σi%≤5%，而且Tl/TΣi=0.0091/0.0037=2.46<10.因此，电流环可按典型Ⅰ型系统设计。 （3）电流调节器的结构选择。电流调节器选择PI型，其传递函数为 （4）选择电流调节器参数。 ACR超前时间常数 = =0.0091s；电流开环增益：因要求 ，故应取 ，因此 。于是，ACR的比例系数为 （5）计算电流调节器的电路参数 电流调节器的原理图如图4.9所示。按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下： 图4.9 电流调节器原理图 （6）校验近似条件。电流环截止频率 1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足： ， 因为 > ，所以满足近似条件。 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足： ， 现在 < ，满足近似条件。 3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件： ， 现在 > ,满足近似条件。 按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 2.转速环的设计 （1）确定时间常数。①电流环等效时间常数为 ；②转速滤波时间常数 ，根据所用测速发动机纹波情况，取 =0.01s;③转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 。 （2）确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。 （3）转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为 （4）选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5，则 ASR超前时间常数 转速环开环增益为 于是，ASR的比例系数为 （5）计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图4.10所示，按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下： 图4.10 转速调节器原理图 （6）校验近似条件。转速环截止频率 1）校验电流环传递函数简化条件是否满足： 现在 > ,满足简化条件。 2）校验小时间常数近似处理是否满足 ， 现在 > ,满足近似条件。 3）校验转速超调量。当h=5时， 而 ，因此 ， 能满足设计要求。设计完成的控制系统如图4.11所示。 图4.11 设计完成的双闭环控制系统 5触发电路选择与校验 5.1 触发电路的选择与校验 选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为 ＜250mA,触发电压 。由已知条件可以计算出 ， ， 。 因为 ， ，所以触发变压器的匝数比为 ，取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数 . 触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。 6系统调试 系统MATLAB仿真 本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。 6.1 系统的建模与参数设置 转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图6-1所示。 图6-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型 转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。 6.2 系统仿真结果的输出及结果分析 当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图4-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。 图6-2 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线 启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。 结论 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图5-2所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 总结与体会 经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业